ADN-metiltransferazele ( ADN-metilaze, engleză ADN-metiltransferaza, ADN-MTază, DNMT ) sunt un grup de enzime care catalizează metilarea reziduurilor de nucleotide din ADN . Activitatea metiltransferazelor, care constă în transferul grupărilor metil (CH 3 -) la citozina de bază azotată din ADN, duce la o modificare a proprietăților ADN-ului, în timp ce activitatea, funcțiile genelor corespunzătoare, precum și modificarea structurii spațiale a acidului nucleic ( conformația ).
Mai multe grupuri de enzime au activitate ADN-metiltransferaza :
Toate ADN-metiltransferazele cunoscute folosesc S-adenosil-metionina ca donor de grup metil .
Citozin (C5)-ADN metiltransferaze catalizează transferul unei grupări metil de la S-adenozil-metionină la un reziduu de citozină situat într-o secvență specifică în ADN -ul dublu catenar , cu formarea de 5-metilcitozină și S - adenosilhomocisteină . Această reacție este ireversibilă. Compararea structurii metiltransferazelor ADN procariote și eucariote le permite să fie atribuite aceleiași clase de enzime . Toate aceste enzime sunt proteine monomerice care conțin regiuni omoloage conservate ( motive ) responsabile de funcțiile enzimatice. Cele mai multe citozin(C5)-ADN-metiltransferaze au până la 10 astfel de situsuri. Printre acestea, există 4 motive moderat omoloage (II, III, V, VII), care pot fi absente în unele enzime, și 6 motive foarte omoloage (I, IV, VI, VIII, IX, X). Între secțiunile VIII și IX se află domeniul TRD ( domeniul de recunoaștere a țintei, domeniul de recunoaștere a țintei), a cărui lungime și compoziția de aminoacizi sunt variabile.
După replicarea ADN-ului , metilazele ADN eucariote metilează citozina la situsurile CpG și CpNpG din catenele nou sintetizate. În plus, ADN-metilazele eucariote îndeplinesc funcția de menținere a metilației. metilare de novo a ADN-ului la locurile deja marcate.
Patru ADN metiltransferaze active au fost găsite la mamifere : DNMT1, DNMT2 (TRDMT1), DNMT3a și DNMT3b . De asemenea, a fost găsită o proteină similară structural cu familia DNMT3, dar care nu prezintă activitate de metiltransferază, DNMT3L (DNMT3- like ).
Familia DNMT1 ADN-metiltransferaza de șoarece este o proteină de 190 kDa care conține 1620 de resturi de aminoacizi . Activitatea principală a acestei enzime este de a metila situsurile CpG hemimetilate. Molecula de ADN metiltransferaza DNMT1 este mult mai mare decât enzima procariotă datorită prezenței unei regiuni reglatoare N-terminale, care este 2/3 din întreaga lungime a lanțului polipeptidic. Acest loc este responsabil pentru „preferința” de către enzimă a locurilor hemimetilate față de cele nemetilate. Regiunea N-terminală reglatoare este conectată la regiunea C-terminală catalitică folosind repetări Gly - Lys . Se crede că gena dnmt1 s-a format prin fuziunea genei ADN metilazei procariote cu una sau două gene ale proteinei de legare a ADN-ului .
| ADN metil transferaza |
Proteine asociate |
Funcția proteică asociată |
|---|---|---|
| DNMT1 | DNMT3a | metilarea ADN-ului de novo |
| DNMT3b | la fel | |
| HDAC1 | histon deacetilază | |
| HDAC2 | la fel | |
| SUV39H1 | histon metiltransferaza H3 (Lys9) | |
| Rb | supresor de tumori | |
| PML-RAR | factor de transcripție oncogen | |
| DMAP1 | corepresor transcripțional | |
| hSNF2H | proteină implicată în rearanjamentele cromatinei | |
| PCNA | factor de replicare a ADN-ului | |
| MBD2 | legarea la situsurile
CpG metilate | |
| MBD3 | la fel | |
| MeCP2 | la fel | |
| HP1β | proteina heterocromatina _ | |
| ARN polimeraza II | ARN polimeraza II | |
| DNMT3a | DNMT1 | menținerea metilării ADN-ului |
| DNMT3L | represor transcripțional | |
| HDAC1 | histon deacetilază | |
| SUV39H1 | histon metiltransferaza H3 (Lys9) | |
| PML-RAR | factor de transcripție oncogen | |
| RP58 | corepresor transcripțional | |
| HP1β | proteina heterocromatina _ | |
| SUMO-1 | proteină asemănătoare ubiquitinei | |
| DNMT3b | DNMT1 | menținerea metilării ADN-ului |
| DNMT3L | represor transcripțional | |
| HDAC1 | histon deacetilază | |
| SUMO-1 | proteină asemănătoare ubiquitinei | |
| DNMT3L | DNMT3a | metilarea ADN-ului de novo |
| DNMT3b | la fel | |
| HDAC1 | histon deacetilază | |
| CMT3 | Omologul HP1 | proteina heterocromatina _ |
Domeniul N-terminal conține diverse secvențe specifice, cum ar fi un semnal de localizare nucleară ( NLS ), un motiv de legare a Zn bogat în cisteină și o secvență specială care direcționează metilaza către regiunea de replicare a ADN-ului (TRF, țintirea proteinei către focarele de replicare a ADN-ului ). ). Enzima este localizată în zonele de replicare a ADN-ului în timpul fazei S a ciclului celular , iar după terminarea acesteia difuzează în nucleoplasmă . De asemenea, domeniul N-terminal al enzimei DNMT1 conține o secvență omoloagă cu represorul transcripțional HRX, cu ajutorul căreia ADN-metilaza este capabilă să se asocieze cu histon deacetilaza in vivo .
Enzima DNMT1 umană nu este fundamental diferită de cea de șoarece.
Enzima DNMT1 are mai multe izoforme: DNMT1 somatic, o variantă intermediară (DNMT1b) și o izoformă specifică ovocitelor (DNMT1o). DNMT1o este sintetizat și acumulat în citoplasma ovocitelor , iar apoi, în timpul dezvoltării embrionare timpurii , este transportat la nucleul celular (DNMT1 somatic este localizat constant în nucleu).
Enzima poate prezenta activitate de metilare anormală, în special prin metilarea perechilor CpG în regiunea unei bucle de ADN monocatenar care conține deja situsuri CpG metilate. .
Inactivarea enzimei DNMT1 de șoarece duce la o scădere semnificativă (până la 70%) a metilării genomului și moartea embrionilor în curs de dezvoltare în zilele 10-11 de dezvoltare. Nivelul rămas de 30% și capacitatea celulelor stem de a metila ADN-ul retroviral de novo sunt asigurate de alte ADN metiltransferaze.
ADN metiltransferaza DNMT2 constă din 415 resturi de aminoacizi și nu conține un domeniu de reglare N-terminal. Inactivarea genei dnmt2 în celulele stem de șoarece nu a afectat capacitatea acestora de a menține modelul de metilare a genomului și de metilare de novo . Secvența de aminoacizi a enzimei este similară cu secvențele de ADN metilaze scurte din plante, ciuperci și procariote. În 2006 Goll et al. au arătat că enzima produce metilarea ARNt Asp la citozina-38 atât in vivo , cât și in vitro și nu metilează ADN-ul. Pentru a reflecta funcția enzimei din nume, s-a decis să o redenumească în TRDMT1 ( tRNA aspartic acid metiltransferaza 1 , acid aspartic transporting tRNA metiltransferaza ).
ADN-metiltransferazele DNMT3a și DNMT3b metilează situsurile CpG hemimetilate și nemetilate în aceeași viteză. DNMT3a și DNMT3b uman conțin 908 și, respectiv, 859 de resturi de aminoacizi; gena dnmt3b poate codifica, de asemenea, polipeptide mai mici datorită îmbinării alternative . Genele dnmt3a și dnmt3b sunt exprimate activ în celulele stem embrionare nediferențiate, în timp ce nivelul lor de expresie este foarte scăzut în celulele diferențiate. Inactivarea acestor gene la șoareci a dus la moartea indivizilor, în medie, la vârsta de patru săptămâni.
DNMT3a metilează site-urile CpG mai activ decât CpA, CpT și CpC. DNMT3a metilează site-urile CpG mult mai lent decât DNMT1, dar mai rapid decât DNMT3b. Deși funcțiile enzimelor DNMT3a și DNMT3b se suprapun într-o mare măsură, există și diferențe. Astfel, DNMT3b este responsabil pentru metilarea repetițiilor satelitului în regiunea linkerului centromerului , iar mutația genei dnmt3b la om duce la sindromul ICF ( instabilitate cenromeric imunodeficiență, instabilitate centromer imunodeficiență, anomalii faciale). Sindromul ICF este o tulburare genetică autozomal recesivă rară caracterizată prin defecte ale sistemului imunitar și structură facială anormală. Sindromul este asociat cu instabilitatea heterocromatinei centromerice. În același timp, principalele componente ale heterocromatinei, regiunile satelit ale ADN II și ADN III, sunt submetilate.
DNMT3L conține un motiv de ADN metiltransferază și este esențial pentru efectul amprentei genomice materne , rămânând în același timp inactiv catalitic (din cauza absenței unor situsuri cheie necesare pentru cataliză ). DNMT3L este exprimat în timpul gametogenezei , care este momentul în care are loc imprimarea genomică. Absența DNMT3L duce la expresia bialelice a genelor care nu sunt caracterizate în mod normal de expresia alelei materne . DNMT3L interacționează cu DNMT3a și DNMT3b în nucleul celulei. Deși DNMT3L este incapabil să efectueze metilarea, proteina poate fi implicată în reprimarea transcripțională (în asociere cu histon deacetilaza).
Trei familii de ADN metiltransferaze au fost găsite în plante.
ADN-metilazele acestei familii sunt similare cu enzimele familiei DNMT1 de mamifere. La Arabidopsis thaliana ( Tahl 's coli) au fost găsite 2 astfel de ADN metiltransferaze: METI și METII. Aceste proteine diferă de DNMT1 de șoarece în structura domeniului N-terminal. Metilazele omoloage cu Arabidopsis thaliana METI au fost găsite în morcovi și orez .
Această familie include, de asemenea, gena NtMETI de tutun (codifică o proteină de 175 kDa, 1556 resturi de aminoacizi) și gena ADN-metiltransferazei de mazăre (codifică o proteină de 174 kDa, 1554 resturi de aminoacizi). Aceste enzime sunt cele mai active în celulele meristeme ale plantelor .
Familia include ADN metilaze polimorfe. A fost descoperit pentru prima dată în Arabidopsis thaliana . Între secțiunile I și IV, moleculele acestor enzime conțin un cromodomeniu de 80 de resturi de aminoacizi, care este responsabil pentru interacțiunea cu proteinele cromatinei specifice și cu membrana nucleară . Arabidopsis thaliana CMT3 și proteinele Zmet2 de porumb efectuează metilarea ADN-ului de întreținere la CpNpG și locurile asimetrice. Oprirea activității lor duce la reactivarea transpozonilor endogeni .
Cromometilazele sunt caracteristice numai pentru plante.
O familie de ADN metilaze în care motivele conservate sunt rearanjate și aranjate în următoarea ordine: VI-IX-X-I-II-III-IV-V. De aici și numele familiei: domain rearranged methylases , DRM. Genele pentru aceste enzime au fost găsite în Arabidopsis thaliana , porumb și soia . În ciuda faptului că motivele funcționale sunt amestecate, molecula formează o structură tridimensională similară cu ADN-metiltransferaza procariotă HhaI. Domeniul N-terminal conține un situs de legare a ubiquitinei, ceea ce face posibil ca aceste enzime să fie ubiquitinate. Din punct de vedere funcțional, aceste ADN metiltransferaze sunt similare cu familia DNMT3 de mamifere; în special, ele sunt, de asemenea, capabile să efectueze eficient metilarea ADN-ului de novo la situsuri asimetrice.
Există și alte metiltransferaze ADN din plante, cum ar fi METIII lui Arabidopsis thaliana , care nu are un domeniu N-terminal.
Spre deosebire de animale, inactivarea metiltransferazelor ADN din plante nu duce la un efect letal, dar duce și la anomalii de dezvoltare.
Ascomicetul Ascobolus are 2 gene: MASCI și MASK2 . Prima codifică o proteină cu o greutate moleculară de 61,5 kDa, constând din 537 de resturi de aminoacizi. . Conține 10 motive conservate caracteristice citozin (C5) metiltransferazelor, dar se distinge printr-un TRD mai scurt între motivul VIII și IX și un domeniu N-terminal care este neomologul cu cel al DNMT1. O mutație a genei MASCI nu afectează metilarea de menținere a ADN-ului, dar perturbă metilarea de novo a repetărilor ADN și duce la sterilitatea tulpinilor homozigote pentru această mutație. Gena MASK2 Ascobolus aparține familiei DNMT1.
Oprirea ambelor gene nu duce la întreruperea metilării de întreținere a ADN-ului Ascobolus , ceea ce indică prezența a cel puțin încă o genă ADN-metiltransferază. .
Neurospora crassa are o genă a ADN-metiltransferazei, DIM-2 . Proteina DIM-2 este responsabilă de metilarea întregului genom, iar inactivarea acesteia duce la demetilarea completă a ADN-ului Neurospora crassa . Proteina constă din 1454 de resturi de aminoacizi și aparține familiei DNMT1. Încălcările expresiei DIM-2 nu conduc la anomalii vizibile în dezvoltarea ciupercii.
| Transcriere (biologie) | |||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Reglementarea transcripției |
| ||||||||||||
| Activare | |||||||||||||
| Iniţiere | Site de începere a transcripției | ||||||||||||
| Elongaţie |
| ||||||||||||
| Încetarea | |||||||||||||